source: palm/trunk/SOURCE/lpm_advec.f90 @ 3175

Last change on this file since 3175 was 3065, checked in by Giersch, 6 years ago

New vertical stretching procedure has been introduced

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 55.4 KB
Line 
1!> @file lpm_advec.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2018 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! ------------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: lpm_advec.f90 3065 2018-06-12 07:03:02Z suehring $
27! dz values were replaced by dzw or dz(1) to allow for right vertical stretching
28!
29! 2969 2018-04-13 11:55:09Z thiele
30! Bugfix in Interpolation indices.
31!
32! 2886 2018-03-14 11:51:53Z thiele
33! Bugfix in passive particle SGS Model:
34! Sometimes the added SGS velocities would lead to a violation of the CFL
35! criterion for single particles. For this a check was added after the
36! calculation of SGS velocities.
37!
38! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
39! Corrected "Former revisions" section
40!
41! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
42! Changes from last commit documented
43!
44! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
45! Particle interpolations at walls in case of SGS velocities revised and not
46! required parts are removed. (responsible Philipp Thiele)
47! Bugfix in get_topography_top_index
48!
49! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
50! Change in file header (GPL part)
51!
52! 2630 2017-11-20 12:58:20Z schwenkel
53! Removed indices ilog and jlog which are no longer needed since particle box
54! locations are identical to scalar boxes and topography.
55!
56! 2628 2017-11-20 12:40:38Z raasch
57! bugfix in logarithmic interpolation of v-component (usws was used by mistake)
58!
59! 2606 2017-11-10 10:36:31Z schwenkel
60! Changed particle box locations: center of particle box now coincides
61! with scalar grid point of same index.
62! Renamed module and subroutines: lpm_pack_arrays_mod -> lpm_pack_and_sort_mod
63! lpm_pack_all_arrays -> lpm_sort_in_subboxes, lpm_pack_arrays -> lpm_pack
64! lpm_sort -> lpm_sort_timeloop_done
65!
66! 2417 2017-09-06 15:22:27Z suehring
67! Particle loops adapted for sub-box structure, i.e. for each sub-box the
68! particle loop runs from start_index up to end_index instead from 1 to
69! number_of_particles. This way, it is possible to skip unnecessary
70! computations for particles that already completed the LES timestep.
71!
72! 2318 2017-07-20 17:27:44Z suehring
73! Get topography top index via Function call
74!
75! 2317 2017-07-20 17:27:19Z suehring
76!
77! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
78! Adjustments to new topography and surface concept
79!
80! 2100 2017-01-05 16:40:16Z suehring
81! Prevent extremely large SGS-velocities in regions where TKE is zero, e.g.
82! at the begin of simulations and/or in non-turbulent regions.
83!
84! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
85! Forced header and separation lines into 80 columns
86!
87! 1936 2016-06-13 13:37:44Z suehring
88! Formatting adjustments
89!
90! 1929 2016-06-09 16:25:25Z suehring
91! Put stochastic equation in an extra subroutine.
92! Set flag for stochastic equation to communicate whether a particle is near
93! topography. This case, memory and drift term are disabled in the Weil equation.
94!
95! Enable vertical logarithmic interpolation also above topography. This case,
96! set a lower limit for the friction velocity, as it can become very small
97! in narrow street canyons, leading to too large particle speeds.
98!
99! 1888 2016-04-21 12:20:49Z suehring
100! Bugfix concerning logarithmic interpolation of particle speed
101!
102! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
103! Random velocity fluctuations for particles added. Terminal fall velocity
104! for droplets is calculated from a parameterization (which is better than
105! the previous, physically correct calculation, which demands a very short
106! time step that is not used in the model).
107!
108! Unused variables deleted.
109!
110! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
111! Renamed prandtl_layer to constant_flux_layer.
112!
113! 1685 2015-10-08 07:32:13Z raasch
114! TKE check for negative values (so far, only zero value was checked)
115! offset_ocean_nzt_m1 removed
116!
117! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
118! Code annotations made doxygen readable
119!
120! 1583 2015-04-15 12:16:27Z suehring
121! Bugfix: particle advection within Prandtl-layer in case of Galilei
122! transformation.
123!
124! 1369 2014-04-24 05:57:38Z raasch
125! usage of module interfaces removed
126!
127! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
128! New particle structure integrated.
129! Kind definition added to all floating point numbers.
130!
131! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
132! REAL constants defined as wp_kind
133!
134! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
135! ONLY-attribute added to USE-statements,
136! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
137! kinds are defined in new module kinds,
138! revision history before 2012 removed,
139! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
140! all variable declaration statements
141!
142! 1314 2014-03-14 18:25:17Z suehring
143! Vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speed for particles
144! between roughness height and first vertical grid level.
145!
146! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
147! code put under GPL (PALM 3.9)
148!
149! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
150! initial revision (former part of advec_particles)
151!
152!
153! Description:
154! ------------
155!> Calculation of new particle positions due to advection using a simple Euler
156!> scheme. Particles may feel inertia effects. SGS transport can be included
157!> using the stochastic model of Weil et al. (2004, JAS, 61, 2877-2887).
158!------------------------------------------------------------------------------!
159 SUBROUTINE lpm_advec (ip,jp,kp)
160 
161
162    USE arrays_3d,                                                             &
163        ONLY:  de_dx, de_dy, de_dz, diss, dzw, e, km, u, v, w, zu, zw
164
165    USE cpulog
166
167    USE pegrid
168
169    USE control_parameters,                                                    &
170        ONLY:  atmos_ocean_sign, cloud_droplets, constant_flux_layer, dt_3d,   &
171               dt_3d_reached_l, dz, g, kappa, topography, u_gtrans, v_gtrans
172
173    USE grid_variables,                                                        &
174        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
175       
176    USE indices,                                                               &
177        ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
178       
179    USE kinds
180   
181    USE particle_attributes,                                                   &
182        ONLY:  block_offset, c_0, dt_min_part, grid_particles,                 &
183               iran_part, log_z_z0, number_of_particles, number_of_sublayers,  &
184               particles, particle_groups, offset_ocean_nzt, sgs_wf_part,      &
185               use_sgs_for_particles, vertical_particle_advection, z0_av_global
186       
187    USE statistics,                                                            &
188        ONLY:  hom
189
190    USE surface_mod,                                                           &
191        ONLY:  get_topography_top_index_ji, surf_def_h, surf_lsm_h, surf_usm_h
192
193    IMPLICIT NONE
194
195    LOGICAL ::  subbox_at_wall !< flag to see if the current subgridbox is adjacent to a wall
196
197    INTEGER(iwp) ::  agp                         !< loop variable
198    INTEGER(iwp) ::  gp_outside_of_building(1:8) !< number of grid points used for particle interpolation in case of topography
199    INTEGER(iwp) ::  i                           !< index variable along x
200    INTEGER(iwp) ::  ip                          !< index variable along x
201    INTEGER(iwp) ::  j                           !< index variable along y
202    INTEGER(iwp) ::  jp                          !< index variable along y
203    INTEGER(iwp) ::  k                           !< index variable along z
204    INTEGER(iwp) ::  k_wall                      !< vertical index of topography top
205    INTEGER(iwp) ::  kp                          !< index variable along z
206    INTEGER(iwp) ::  kw                          !< index variable along z
207    INTEGER(iwp) ::  n                           !< loop variable over all particles in a grid box
208    INTEGER(iwp) ::  nb                          !< block number particles are sorted in
209    INTEGER(iwp) ::  num_gp                      !< number of adjacent grid points inside topography
210    INTEGER(iwp) ::  surf_start                  !< Index on surface data-type for current grid box
211
212    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:7) ::  start_index !< start particle index for current block
213    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:7) ::  end_index   !< start particle index for current block
214
215    REAL(wp) ::  aa                 !< dummy argument for horizontal particle interpolation
216    REAL(wp) ::  bb                 !< dummy argument for horizontal particle interpolation
217    REAL(wp) ::  cc                 !< dummy argument for horizontal particle interpolation
218    REAL(wp) ::  d_sum              !< dummy argument for horizontal particle interpolation in case of topography
219    REAL(wp) ::  d_z_p_z0           !< inverse of interpolation length for logarithmic interpolation
220    REAL(wp) ::  dd                 !< dummy argument for horizontal particle interpolation
221    REAL(wp) ::  de_dx_int_l        !< x/y-interpolated TKE gradient (x) at particle position at lower vertical level
222    REAL(wp) ::  de_dx_int_u        !< x/y-interpolated TKE gradient (x) at particle position at upper vertical level
223    REAL(wp) ::  de_dy_int_l        !< x/y-interpolated TKE gradient (y) at particle position at lower vertical level
224    REAL(wp) ::  de_dy_int_u        !< x/y-interpolated TKE gradient (y) at particle position at upper vertical level
225    REAL(wp) ::  de_dt              !< temporal derivative of TKE experienced by the particle
226    REAL(wp) ::  de_dt_min          !< lower level for temporal TKE derivative
227    REAL(wp) ::  de_dz_int_l        !< x/y-interpolated TKE gradient (z) at particle position at lower vertical level
228    REAL(wp) ::  de_dz_int_u        !< x/y-interpolated TKE gradient (z) at particle position at upper vertical level
229    REAL(wp) ::  diameter           !< diamter of droplet
230    REAL(wp) ::  diss_int_l         !< x/y-interpolated dissipation at particle position at lower vertical level
231    REAL(wp) ::  diss_int_u         !< x/y-interpolated dissipation at particle position at upper vertical level
232    REAL(wp) ::  dt_particle_m      !< previous particle time step
233    REAL(wp) ::  dz_temp            !<
234    REAL(wp) ::  e_int_l            !< x/y-interpolated TKE at particle position at lower vertical level
235    REAL(wp) ::  e_int_u            !< x/y-interpolated TKE at particle position at upper vertical level
236    REAL(wp) ::  e_mean_int         !< horizontal mean TKE at particle height
237    REAL(wp) ::  exp_arg            !<
238    REAL(wp) ::  exp_term           !<
239    REAL(wp) ::  gg                 !< dummy argument for horizontal particle interpolation
240    REAL(wp) ::  height_p           !< dummy argument for logarithmic interpolation
241    REAL(wp) ::  location(1:30,1:3) !< wall locations
242    REAL(wp) ::  log_z_z0_int       !< logarithmus used for surface_layer interpolation
243    REAL(wp) ::  random_gauss       !<
244    REAL(wp) ::  RL                 !< Lagrangian autocorrelation coefficient
245    REAL(wp) ::  rg1                !< Gaussian distributed random number
246    REAL(wp) ::  rg2                !< Gaussian distributed random number
247    REAL(wp) ::  rg3                !< Gaussian distributed random number
248    REAL(wp) ::  sigma              !< velocity standard deviation
249    REAL(wp) ::  u_int_l            !< x/y-interpolated u-component at particle position at lower vertical level
250    REAL(wp) ::  u_int_u            !< x/y-interpolated u-component at particle position at upper vertical level
251    REAL(wp) ::  us_int             !< friction velocity at particle grid box
252    REAL(wp) ::  usws_int           !< surface momentum flux (u component) at particle grid box
253    REAL(wp) ::  v_int_l            !< x/y-interpolated v-component at particle position at lower vertical level
254    REAL(wp) ::  v_int_u            !< x/y-interpolated v-component at particle position at upper vertical level
255    REAL(wp) ::  vsws_int           !< surface momentum flux (u component) at particle grid box
256    REAL(wp) ::  vv_int             !<
257    REAL(wp) ::  w_int_l            !< x/y-interpolated w-component at particle position at lower vertical level
258    REAL(wp) ::  w_int_u            !< x/y-interpolated w-component at particle position at upper vertical level
259    REAL(wp) ::  w_s                !< terminal velocity of droplets
260    REAL(wp) ::  x                  !< dummy argument for horizontal particle interpolation
261    REAL(wp) ::  y                  !< dummy argument for horizontal particle interpolation
262    REAL(wp) ::  z_p                !< surface layer height (0.5 dz)
263
264    REAL(wp), PARAMETER ::  a_rog = 9.65_wp      !< parameter for fall velocity
265    REAL(wp), PARAMETER ::  b_rog = 10.43_wp     !< parameter for fall velocity
266    REAL(wp), PARAMETER ::  c_rog = 0.6_wp       !< parameter for fall velocity
267    REAL(wp), PARAMETER ::  k_cap_rog = 4.0_wp   !< parameter for fall velocity
268    REAL(wp), PARAMETER ::  k_low_rog = 12.0_wp  !< parameter for fall velocity
269    REAL(wp), PARAMETER ::  d0_rog = 0.745_wp    !< separation diameter
270
271    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  d_gp_pl !< dummy argument for particle interpolation scheme in case of topography
272    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  de_dxi  !< horizontal TKE gradient along x at adjacent wall
273    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  de_dyi  !< horizontal TKE gradient along y at adjacent wall
274    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  de_dzi  !< horizontal TKE gradient along z at adjacent wall
275    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  dissi   !< dissipation at adjacent wall
276    REAL(wp), DIMENSION(1:30) ::  ei      !< TKE at adjacent wall
277
278    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  term_1_2       !< flag to communicate whether a particle is near topography or not
279    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  dens_ratio     !<
280    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  de_dx_int      !< horizontal TKE gradient along x at particle position
281    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  de_dy_int      !< horizontal TKE gradient along y at particle position
282    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  de_dz_int      !< horizontal TKE gradient along z at particle position
283    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  diss_int       !< dissipation at particle position
284    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  dt_gap         !< remaining time until particle time integration reaches LES time
285    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  dt_particle    !< particle time step
286    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  e_int          !< TKE at particle position
287    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  fs_int         !< weighting factor for subgrid-scale particle speed
288    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  lagr_timescale !< Lagrangian timescale
289    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  rvar1_temp     !<
290    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  rvar2_temp     !<
291    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  rvar3_temp     !<
292    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  u_int          !< u-component of particle speed
293    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  v_int          !< v-component of particle speed
294    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  w_int          !< w-component of particle speed
295    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  xv             !< x-position
296    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  yv             !< y-position
297    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  zv             !< z-position
298
299    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles, 3) ::  rg !< vector of Gaussian distributed random numbers
300
301    CALL cpu_log( log_point_s(44), 'lpm_advec', 'continue' )
302
303!
304!-- Determine height of Prandtl layer and distance between Prandtl-layer
305!-- height and horizontal mean roughness height, which are required for
306!-- vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speeds
307!-- (for particles below first vertical grid level).
308    z_p      = zu(nzb+1) - zw(nzb)
309    d_z_p_z0 = 1.0_wp / ( z_p - z0_av_global )
310
311    start_index = grid_particles(kp,jp,ip)%start_index
312    end_index   = grid_particles(kp,jp,ip)%end_index
313
314    xv = particles(1:number_of_particles)%x
315    yv = particles(1:number_of_particles)%y
316    zv = particles(1:number_of_particles)%z
317
318    DO  nb = 0, 7
319!
320!--    Interpolate u velocity-component       
321       i = ip
322       j = jp + block_offset(nb)%j_off
323       k = kp + block_offset(nb)%k_off
324
325       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
326!
327!--       Interpolation of the u velocity component onto particle position. 
328!--       Particles are interpolation bi-linearly in the horizontal and a
329!--       linearly in the vertical. An exception is made for particles below
330!--       the first vertical grid level in case of a prandtl layer. In this
331!--       case the horizontal particle velocity components are determined using
332!--       Monin-Obukhov relations (if branch).
333!--       First, check if particle is located below first vertical grid level
334!--       above topography (Prandtl-layer height)
335!--       Determine vertical index of topography top
336          k_wall = get_topography_top_index_ji( jp, ip, 's' )
337
338          IF ( constant_flux_layer  .AND.  zv(n) - zw(k_wall) < z_p )  THEN
339!
340!--          Resolved-scale horizontal particle velocity is zero below z0.
341             IF ( zv(n) - zw(k_wall) < z0_av_global )  THEN
342                u_int(n) = 0.0_wp
343             ELSE
344!
345!--             Determine the sublayer. Further used as index.
346                height_p = ( zv(n) - zw(k_wall) - z0_av_global ) &
347                                     * REAL( number_of_sublayers, KIND=wp )    &
348                                     * d_z_p_z0 
349!
350!--             Calculate LOG(z/z0) for exact particle height. Therefore,   
351!--             interpolate linearly between precalculated logarithm.
352                log_z_z0_int = log_z_z0(INT(height_p))                         &
353                                 + ( height_p - INT(height_p) )                &
354                                 * ( log_z_z0(INT(height_p)+1)                 &
355                                      - log_z_z0(INT(height_p))                &
356                                   ) 
357!
358!--             Get friction velocity and momentum flux from new surface data
359!--             types.
360                IF ( surf_def_h(0)%start_index(jp,ip) <=                   &
361                     surf_def_h(0)%end_index(jp,ip) )  THEN
362                   surf_start = surf_def_h(0)%start_index(jp,ip)
363!--                Limit friction velocity. In narrow canyons or holes the
364!--                friction velocity can become very small, resulting in a too
365!--                large particle speed.
366                   us_int    = MAX( surf_def_h(0)%us(surf_start), 0.01_wp ) 
367                   usws_int  = surf_def_h(0)%usws(surf_start)
368                ELSEIF ( surf_lsm_h%start_index(jp,ip) <=                  &
369                         surf_lsm_h%end_index(jp,ip) )  THEN
370                   surf_start = surf_lsm_h%start_index(jp,ip)
371                   us_int    = MAX( surf_lsm_h%us(surf_start), 0.01_wp ) 
372                   usws_int  = surf_lsm_h%usws(surf_start)
373                ELSEIF ( surf_usm_h%start_index(jp,ip) <=                  &
374                         surf_usm_h%end_index(jp,ip) )  THEN
375                   surf_start = surf_usm_h%start_index(jp,ip)
376                   us_int    = MAX( surf_usm_h%us(surf_start), 0.01_wp ) 
377                   usws_int  = surf_usm_h%usws(surf_start)
378                ENDIF
379
380!
381!--             Neutral solution is applied for all situations, e.g. also for
382!--             unstable and stable situations. Even though this is not exact
383!--             this saves a lot of CPU time since several calls of intrinsic
384!--             FORTRAN procedures (LOG, ATAN) are avoided, This is justified
385!--             as sensitivity studies revealed no significant effect of
386!--             using the neutral solution also for un/stable situations.
387                u_int(n) = -usws_int / ( us_int * kappa + 1E-10_wp )           & 
388                            * log_z_z0_int - u_gtrans
389               
390             ENDIF
391!
392!--       Particle above the first grid level. Bi-linear interpolation in the
393!--       horizontal and linear interpolation in the vertical direction.
394          ELSE
395
396             x  = xv(n) - i * dx
397             y  = yv(n) + ( 0.5_wp - j ) * dy
398             aa = x**2          + y**2
399             bb = ( dx - x )**2 + y**2
400             cc = x**2          + ( dy - y )**2
401             dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
402             gg = aa + bb + cc + dd
403
404             u_int_l = ( ( gg - aa ) * u(k,j,i)   + ( gg - bb ) * u(k,j,i+1)   &
405                         + ( gg - cc ) * u(k,j+1,i) + ( gg - dd ) *            &
406                         u(k,j+1,i+1) ) / ( 3.0_wp * gg ) - u_gtrans
407
408             IF ( k == nzt )  THEN
409                u_int(n) = u_int_l
410             ELSE
411                u_int_u = ( ( gg-aa ) * u(k+1,j,i) + ( gg-bb ) * u(k+1,j,i+1)  &
412                            + ( gg-cc ) * u(k+1,j+1,i) + ( gg-dd ) *           &
413                            u(k+1,j+1,i+1) ) / ( 3.0_wp * gg ) - u_gtrans
414                u_int(n) = u_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k) *               &
415                           ( u_int_u - u_int_l )
416             ENDIF
417
418          ENDIF
419
420       ENDDO
421!
422!--    Same procedure for interpolation of the v velocity-component
423       i = ip + block_offset(nb)%i_off
424       j = jp
425       k = kp + block_offset(nb)%k_off
426
427       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
428
429!
430!--       Determine vertical index of topography top
431          k_wall = get_topography_top_index_ji( jp,ip, 's' )
432
433          IF ( constant_flux_layer  .AND.  zv(n) - zw(k_wall) < z_p )  THEN
434             IF ( zv(n) - zw(k_wall) < z0_av_global )  THEN
435!
436!--             Resolved-scale horizontal particle velocity is zero below z0.
437                v_int(n) = 0.0_wp
438             ELSE       
439!
440!--             Determine the sublayer. Further used as index. Please note,
441!--             logarithmus can not be reused from above, as in in case of
442!--             topography particle on u-grid can be above surface-layer height,
443!--             whereas it can be below on v-grid.
444                height_p = ( zv(n) - zw(k_wall) - z0_av_global ) &
445                                  * REAL( number_of_sublayers, KIND=wp )       &
446                                  * d_z_p_z0 
447!
448!--             Calculate LOG(z/z0) for exact particle height. Therefore,   
449!--             interpolate linearly between precalculated logarithm.
450                log_z_z0_int = log_z_z0(INT(height_p))                         &
451                                 + ( height_p - INT(height_p) )                &
452                                 * ( log_z_z0(INT(height_p)+1)                 &
453                                      - log_z_z0(INT(height_p))                &
454                                   ) 
455!
456!--             Get friction velocity and momentum flux from new surface data
457!--             types.
458                IF ( surf_def_h(0)%start_index(jp,ip) <=                   &
459                     surf_def_h(0)%end_index(jp,ip) )  THEN
460                   surf_start = surf_def_h(0)%start_index(jp,ip)
461!--                Limit friction velocity. In narrow canyons or holes the
462!--                friction velocity can become very small, resulting in a too
463!--                large particle speed.
464                   us_int    = MAX( surf_def_h(0)%us(surf_start), 0.01_wp ) 
465                   vsws_int  = surf_def_h(0)%vsws(surf_start)
466                ELSEIF ( surf_lsm_h%start_index(jp,ip) <=                  &
467                         surf_lsm_h%end_index(jp,ip) )  THEN
468                   surf_start = surf_lsm_h%start_index(jp,ip)
469                   us_int    = MAX( surf_lsm_h%us(surf_start), 0.01_wp ) 
470                   vsws_int  = surf_lsm_h%vsws(surf_start)
471                ELSEIF ( surf_usm_h%start_index(jp,ip) <=                  &
472                         surf_usm_h%end_index(jp,ip) )  THEN
473                   surf_start = surf_usm_h%start_index(jp,ip)
474                   us_int    = MAX( surf_usm_h%us(surf_start), 0.01_wp ) 
475                   vsws_int  = surf_usm_h%vsws(surf_start)
476                ENDIF 
477!
478!--             Neutral solution is applied for all situations, e.g. also for
479!--             unstable and stable situations. Even though this is not exact
480!--             this saves a lot of CPU time since several calls of intrinsic
481!--             FORTRAN procedures (LOG, ATAN) are avoided, This is justified
482!--             as sensitivity studies revealed no significant effect of
483!--             using the neutral solution also for un/stable situations.
484                v_int(n) = -vsws_int / ( us_int * kappa + 1E-10_wp )           &
485                         * log_z_z0_int - v_gtrans
486
487             ENDIF
488
489          ELSE
490             x  = xv(n) + ( 0.5_wp - i ) * dx
491             y  = yv(n) - j * dy
492             aa = x**2          + y**2
493             bb = ( dx - x )**2 + y**2
494             cc = x**2          + ( dy - y )**2
495             dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
496             gg = aa + bb + cc + dd
497
498             v_int_l = ( ( gg - aa ) * v(k,j,i)   + ( gg - bb ) * v(k,j,i+1)   &
499                       + ( gg - cc ) * v(k,j+1,i) + ( gg - dd ) * v(k,j+1,i+1) &
500                       ) / ( 3.0_wp * gg ) - v_gtrans
501
502             IF ( k == nzt )  THEN
503                v_int(n) = v_int_l
504             ELSE
505                v_int_u = ( ( gg-aa ) * v(k+1,j,i)   + ( gg-bb ) * v(k+1,j,i+1)   &
506                          + ( gg-cc ) * v(k+1,j+1,i) + ( gg-dd ) * v(k+1,j+1,i+1) &
507                          ) / ( 3.0_wp * gg ) - v_gtrans
508                v_int(n) = v_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k) *               &
509                                  ( v_int_u - v_int_l )
510             ENDIF
511
512          ENDIF
513
514       ENDDO
515!
516!--    Same procedure for interpolation of the w velocity-component
517       i = ip + block_offset(nb)%i_off
518       j = jp + block_offset(nb)%j_off
519       k = kp - 1
520
521       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
522
523          IF ( vertical_particle_advection(particles(n)%group) )  THEN
524
525             x  = xv(n) + ( 0.5_wp - i ) * dx
526             y  = yv(n) + ( 0.5_wp - j ) * dy
527             aa = x**2          + y**2
528             bb = ( dx - x )**2 + y**2
529             cc = x**2          + ( dy - y )**2
530             dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
531             gg = aa + bb + cc + dd
532
533             w_int_l = ( ( gg - aa ) * w(k,j,i)   + ( gg - bb ) * w(k,j,i+1)   &
534                       + ( gg - cc ) * w(k,j+1,i) + ( gg - dd ) * w(k,j+1,i+1) &
535                       ) / ( 3.0_wp * gg )
536
537             IF ( k == nzt )  THEN
538                w_int(n) = w_int_l
539             ELSE
540                w_int_u = ( ( gg-aa ) * w(k+1,j,i)   + &
541                            ( gg-bb ) * w(k+1,j,i+1) + &
542                            ( gg-cc ) * w(k+1,j+1,i) + &
543                            ( gg-dd ) * w(k+1,j+1,i+1) &
544                          ) / ( 3.0_wp * gg )
545                w_int(n) = w_int_l + ( zv(n) - zw(k) ) / dzw(k) *               &
546                           ( w_int_u - w_int_l )
547             ENDIF
548
549          ELSE
550
551             w_int(n) = 0.0_wp
552
553          ENDIF
554
555       ENDDO
556
557    ENDDO
558
559!-- Interpolate and calculate quantities needed for calculating the SGS
560!-- velocities
561    IF ( use_sgs_for_particles  .AND.  .NOT. cloud_droplets )  THEN
562   
563       DO  nb = 0,7
564         
565          subbox_at_wall = .FALSE.         
566!
567!--       In case of topography check if subbox is adjacent to a wall
568          IF ( .NOT. topography == 'flat' ) THEN
569             i = ip + MERGE( -1_iwp , 1_iwp, BTEST( nb, 2 ) )
570             j = jp + MERGE( -1_iwp , 1_iwp, BTEST( nb, 1 ) )
571             k = kp + MERGE( -1_iwp , 1_iwp, BTEST( nb, 0 ) )
572             IF ( .NOT. BTEST(wall_flags_0(k,  jp, ip), 0) .OR.                &
573                  .NOT. BTEST(wall_flags_0(kp, j,  ip), 0) .OR.                &
574                  .NOT. BTEST(wall_flags_0(kp, jp, i ), 0) )                   &
575             THEN
576                subbox_at_wall = .TRUE.
577             ENDIF
578          ENDIF
579          IF ( subbox_at_wall ) THEN
580             e_int(start_index(nb):end_index(nb))     = e(kp,jp,ip) 
581             diss_int(start_index(nb):end_index(nb))  = diss(kp,jp,ip)
582             de_dx_int(start_index(nb):end_index(nb)) = de_dx(kp,jp,ip)
583             de_dy_int(start_index(nb):end_index(nb)) = de_dy(kp,jp,ip)
584             de_dz_int(start_index(nb):end_index(nb)) = de_dz(kp,jp,ip)
585!
586!--          Set flag for stochastic equation.
587             term_1_2(start_index(nb):end_index(nb)) = 0.0_wp             
588          ELSE
589             i = ip + block_offset(nb)%i_off
590             j = jp + block_offset(nb)%j_off
591             k = kp + block_offset(nb)%k_off
592
593             DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
594!
595!--             Interpolate TKE
596                x  = xv(n) + ( 0.5_wp - i ) * dx
597                y  = yv(n) + ( 0.5_wp - j ) * dy
598                aa = x**2          + y**2
599                bb = ( dx - x )**2 + y**2
600                cc = x**2          + ( dy - y )**2
601                dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
602                gg = aa + bb + cc + dd
603
604                e_int_l = ( ( gg-aa ) * e(k,j,i)   + ( gg-bb ) * e(k,j,i+1)   &
605                          + ( gg-cc ) * e(k,j+1,i) + ( gg-dd ) * e(k,j+1,i+1) &
606                          ) / ( 3.0_wp * gg )
607
608                IF ( k+1 == nzt+1 )  THEN
609                   e_int(n) = e_int_l
610                ELSE
611                   e_int_u = ( ( gg - aa ) * e(k+1,j,i)   + &
612                               ( gg - bb ) * e(k+1,j,i+1) + &
613                               ( gg - cc ) * e(k+1,j+1,i) + &
614                               ( gg - dd ) * e(k+1,j+1,i+1) &
615                            ) / ( 3.0_wp * gg )
616                   e_int(n) = e_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k) *            &
617                                     ( e_int_u - e_int_l )
618                ENDIF
619!
620!--             Needed to avoid NaN particle velocities (this might not be
621!--             required any more)
622                IF ( e_int(n) <= 0.0_wp )  THEN
623                   e_int(n) = 1.0E-20_wp
624                ENDIF
625!
626!--             Interpolate the TKE gradient along x (adopt incides i,j,k and
627!--             all position variables from above (TKE))
628                de_dx_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dx(k,j,i)   + &
629                                ( gg - bb ) * de_dx(k,j,i+1) + &
630                                ( gg - cc ) * de_dx(k,j+1,i) + &
631                                ( gg - dd ) * de_dx(k,j+1,i+1) &
632                               ) / ( 3.0_wp * gg )
633
634                IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
635                   de_dx_int(n) = de_dx_int_l
636                ELSE
637                   de_dx_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dx(k+1,j,i)   + &
638                                   ( gg - bb ) * de_dx(k+1,j,i+1) + &
639                                   ( gg - cc ) * de_dx(k+1,j+1,i) + &
640                                   ( gg - dd ) * de_dx(k+1,j+1,i+1) &
641                                  ) / ( 3.0_wp * gg )
642                   de_dx_int(n) = de_dx_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k) *    &
643                                              ( de_dx_int_u - de_dx_int_l )
644                ENDIF
645!
646!--             Interpolate the TKE gradient along y
647                de_dy_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dy(k,j,i)   + &
648                                ( gg - bb ) * de_dy(k,j,i+1) + &
649                                ( gg - cc ) * de_dy(k,j+1,i) + &
650                                ( gg - dd ) * de_dy(k,j+1,i+1) &
651                               ) / ( 3.0_wp * gg )
652                IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
653                   de_dy_int(n) = de_dy_int_l
654                ELSE
655                   de_dy_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dy(k+1,j,i)   + &
656                                   ( gg - bb ) * de_dy(k+1,j,i+1) + &
657                                   ( gg - cc ) * de_dy(k+1,j+1,i) + &
658                                   ( gg - dd ) * de_dy(k+1,j+1,i+1) &
659                                  ) / ( 3.0_wp * gg )
660                      de_dy_int(n) = de_dy_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k) * &
661                                                 ( de_dy_int_u - de_dy_int_l )
662                ENDIF
663
664!
665!--             Interpolate the TKE gradient along z
666                IF ( zv(n) < 0.5_wp * dz(1) )  THEN
667                   de_dz_int(n) = 0.0_wp
668                ELSE
669                   de_dz_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dz(k,j,i)   + &
670                                   ( gg - bb ) * de_dz(k,j,i+1) + &
671                                   ( gg - cc ) * de_dz(k,j+1,i) + &
672                                   ( gg - dd ) * de_dz(k,j+1,i+1) &
673                                  ) / ( 3.0_wp * gg )
674
675                   IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
676                      de_dz_int(n) = de_dz_int_l
677                   ELSE
678                      de_dz_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dz(k+1,j,i)   + &
679                                      ( gg - bb ) * de_dz(k+1,j,i+1) + &
680                                      ( gg - cc ) * de_dz(k+1,j+1,i) + &
681                                      ( gg - dd ) * de_dz(k+1,j+1,i+1) &
682                                     ) / ( 3.0_wp * gg )
683                      de_dz_int(n) = de_dz_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k) * &
684                                                 ( de_dz_int_u - de_dz_int_l )
685                   ENDIF
686                ENDIF
687
688!
689!--             Interpolate the dissipation of TKE
690                diss_int_l = ( ( gg - aa ) * diss(k,j,i)   + &
691                               ( gg - bb ) * diss(k,j,i+1) + &
692                               ( gg - cc ) * diss(k,j+1,i) + &
693                               ( gg - dd ) * diss(k,j+1,i+1) &
694                               ) / ( 3.0_wp * gg )
695
696                IF ( k == nzt )  THEN
697                   diss_int(n) = diss_int_l
698                ELSE
699                   diss_int_u = ( ( gg - aa ) * diss(k+1,j,i)   + &
700                                  ( gg - bb ) * diss(k+1,j,i+1) + &
701                                  ( gg - cc ) * diss(k+1,j+1,i) + &
702                                  ( gg - dd ) * diss(k+1,j+1,i+1) &
703                                 ) / ( 3.0_wp * gg )
704                   diss_int(n) = diss_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k) *      &
705                                            ( diss_int_u - diss_int_l )
706                ENDIF
707
708!
709!--             Set flag for stochastic equation.
710                term_1_2(n) = 1.0_wp
711             ENDDO
712          ENDIF
713       ENDDO
714
715       DO nb = 0,7
716          i = ip + block_offset(nb)%i_off
717          j = jp + block_offset(nb)%j_off
718          k = kp + block_offset(nb)%k_off
719
720          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
721!
722!--          Vertical interpolation of the horizontally averaged SGS TKE and
723!--          resolved-scale velocity variances and use the interpolated values
724!--          to calculate the coefficient fs, which is a measure of the ratio
725!--          of the subgrid-scale turbulent kinetic energy to the total amount
726!--          of turbulent kinetic energy.
727             IF ( k == 0 )  THEN
728                e_mean_int = hom(0,1,8,0)
729             ELSE
730                e_mean_int = hom(k,1,8,0) +                                    &
731                                           ( hom(k+1,1,8,0) - hom(k,1,8,0) ) / &
732                                           ( zu(k+1) - zu(k) ) *               &
733                                           ( zv(n) - zu(k) )
734             ENDIF
735
736             kw = kp - 1
737
738             IF ( k == 0 )  THEN
739                aa  = hom(k+1,1,30,0)  * ( zv(n) / &
740                                         ( 0.5_wp * ( zu(k+1) - zu(k) ) ) )
741                bb  = hom(k+1,1,31,0)  * ( zv(n) / &
742                                         ( 0.5_wp * ( zu(k+1) - zu(k) ) ) )
743                cc  = hom(kw+1,1,32,0) * ( zv(n) / &
744                                         ( 1.0_wp * ( zw(kw+1) - zw(kw) ) ) )
745             ELSE
746                aa  = hom(k,1,30,0) + ( hom(k+1,1,30,0) - hom(k,1,30,0) ) *    &
747                           ( ( zv(n) - zu(k) ) / ( zu(k+1) - zu(k) ) )
748                bb  = hom(k,1,31,0) + ( hom(k+1,1,31,0) - hom(k,1,31,0) ) *    &
749                           ( ( zv(n) - zu(k) ) / ( zu(k+1) - zu(k) ) )
750                cc  = hom(kw,1,32,0) + ( hom(kw+1,1,32,0)-hom(kw,1,32,0) ) *   &
751                           ( ( zv(n) - zw(kw) ) / ( zw(kw+1)-zw(kw) ) )
752             ENDIF
753
754             vv_int = ( 1.0_wp / 3.0_wp ) * ( aa + bb + cc )
755!
756!--          Needed to avoid NaN particle velocities. The value of 1.0 is just
757!--          an educated guess for the given case.
758             IF ( vv_int + ( 2.0_wp / 3.0_wp ) * e_mean_int == 0.0_wp )  THEN
759                fs_int(n) = 1.0_wp
760             ELSE
761                fs_int(n) = ( 2.0_wp / 3.0_wp ) * e_mean_int /                 &
762                            ( vv_int + ( 2.0_wp / 3.0_wp ) * e_mean_int )
763             ENDIF
764
765          ENDDO
766       ENDDO
767
768       DO  nb = 0, 7
769          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
770             rg(n,1) = random_gauss( iran_part, 5.0_wp )
771             rg(n,2) = random_gauss( iran_part, 5.0_wp )
772             rg(n,3) = random_gauss( iran_part, 5.0_wp )
773          ENDDO
774       ENDDO
775
776       DO  nb = 0, 7
777          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
778
779!
780!--          Calculate the Lagrangian timescale according to Weil et al. (2004).
781             lagr_timescale(n) = ( 4.0_wp * e_int(n) + 1E-20_wp ) / &
782                              ( 3.0_wp * fs_int(n) * c_0 * diss_int(n) + 1E-20_wp )
783
784!
785!--          Calculate the next particle timestep. dt_gap is the time needed to
786!--          complete the current LES timestep.
787             dt_gap(n) = dt_3d - particles(n)%dt_sum
788             dt_particle(n) = MIN( dt_3d, 0.025_wp * lagr_timescale(n), dt_gap(n) )
789             particles(n)%aux1 = lagr_timescale(n)
790             particles(n)%aux2 = dt_gap(n)
791!
792!--          The particle timestep should not be too small in order to prevent
793!--          the number of particle timesteps of getting too large
794             IF ( dt_particle(n) < dt_min_part  .AND.  dt_min_part < dt_gap(n) )  THEN
795                dt_particle(n) = dt_min_part
796             ENDIF
797             rvar1_temp(n) = particles(n)%rvar1
798             rvar2_temp(n) = particles(n)%rvar2
799             rvar3_temp(n) = particles(n)%rvar3
800!
801!--          Calculate the SGS velocity components
802             IF ( particles(n)%age == 0.0_wp )  THEN
803!
804!--             For new particles the SGS components are derived from the SGS
805!--             TKE. Limit the Gaussian random number to the interval
806!--             [-5.0*sigma, 5.0*sigma] in order to prevent the SGS velocities
807!--             from becoming unrealistically large.
808                rvar1_temp(n) = SQRT( 2.0_wp * sgs_wf_part * e_int(n)          &
809                                          + 1E-20_wp ) * ( rg(n,1) - 1.0_wp )
810                rvar2_temp(n) = SQRT( 2.0_wp * sgs_wf_part * e_int(n)          &
811                                          + 1E-20_wp ) * ( rg(n,2) - 1.0_wp )
812                rvar3_temp(n) = SQRT( 2.0_wp * sgs_wf_part * e_int(n)          &
813                                          + 1E-20_wp ) * ( rg(n,3) - 1.0_wp )
814
815             ELSE
816!
817!--             Restriction of the size of the new timestep: compared to the
818!--             previous timestep the increase must not exceed 200%. First,
819!--             check if age > age_m, in order to prevent that particles get zero
820!--             timestep.
821                dt_particle_m = MERGE( dt_particle(n),                         &
822                                       particles(n)%age - particles(n)%age_m,  &
823                                       particles(n)%age - particles(n)%age_m < &
824                                       1E-8_wp )
825                IF ( dt_particle(n) > 2.0_wp * dt_particle_m )  THEN
826                   dt_particle(n) = 2.0_wp * dt_particle_m
827                ENDIF
828
829!--             For old particles the SGS components are correlated with the
830!--             values from the previous timestep. Random numbers have also to
831!--             be limited (see above).
832!--             As negative values for the subgrid TKE are not allowed, the
833!--             change of the subgrid TKE with time cannot be smaller than
834!--             -e_int(n)/dt_particle. This value is used as a lower boundary
835!--             value for the change of TKE
836                de_dt_min = - e_int(n) / dt_particle(n)
837
838                de_dt = ( e_int(n) - particles(n)%e_m ) / dt_particle_m
839
840                IF ( de_dt < de_dt_min )  THEN
841                   de_dt = de_dt_min
842                ENDIF
843
844                CALL weil_stochastic_eq(rvar1_temp(n), fs_int(n), e_int(n),& 
845                                        de_dx_int(n), de_dt, diss_int(n),       &
846                                        dt_particle(n), rg(n,1), term_1_2(n) )
847
848                CALL weil_stochastic_eq(rvar2_temp(n), fs_int(n), e_int(n),& 
849                                        de_dy_int(n), de_dt, diss_int(n),       &
850                                        dt_particle(n), rg(n,2), term_1_2(n) )
851
852                CALL weil_stochastic_eq(rvar3_temp(n), fs_int(n), e_int(n),& 
853                                        de_dz_int(n), de_dt, diss_int(n),       &
854                                        dt_particle(n), rg(n,3), term_1_2(n) )
855
856             ENDIF
857
858          ENDDO
859       ENDDO
860!
861!--    Check if the added SGS velocities result in a violation of the CFL-
862!--    criterion. If yes choose a smaller timestep based on the new velocities
863!--    and calculate SGS velocities again
864       dz_temp = zw(kp)-zw(kp-1)
865       
866       DO  nb = 0, 7
867          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
868             IF ( .NOT. particles(n)%age == 0.0_wp .AND.                       &
869                (ABS( u_int(n) + rvar1_temp(n) ) > (dx/dt_particle(n))  .OR.   &
870                 ABS( v_int(n) + rvar2_temp(n) ) > (dy/dt_particle(n))  .OR.   &
871                 ABS( w_int(n) + rvar3_temp(n) ) > (dz_temp/dt_particle(n)))) THEN
872               
873                dt_particle(n) = 0.9_wp * MIN(                                 &
874                                 ( dx / ABS( u_int(n) + rvar1_temp(n) ) ),     &
875                                 ( dy / ABS( v_int(n) + rvar2_temp(n) ) ),     &
876                                 ( dz_temp / ABS( w_int(n) + rvar3_temp(n) ) ) )
877
878!
879!--             Reset temporary SGS velocites to "current" ones
880                rvar1_temp(n) = particles(n)%rvar1
881                rvar2_temp(n) = particles(n)%rvar2
882                rvar3_temp(n) = particles(n)%rvar3
883               
884                de_dt_min = - e_int(n) / dt_particle(n)
885
886                de_dt = ( e_int(n) - particles(n)%e_m ) / dt_particle_m
887
888                IF ( de_dt < de_dt_min )  THEN
889                   de_dt = de_dt_min
890                ENDIF
891
892                CALL weil_stochastic_eq(rvar1_temp(n), fs_int(n), e_int(n),& 
893                                        de_dx_int(n), de_dt, diss_int(n),       &
894                                        dt_particle(n), rg(n,1), term_1_2(n) )
895
896                CALL weil_stochastic_eq(rvar2_temp(n), fs_int(n), e_int(n),& 
897                                        de_dy_int(n), de_dt, diss_int(n),       &
898                                        dt_particle(n), rg(n,2), term_1_2(n) )
899
900                CALL weil_stochastic_eq(rvar3_temp(n), fs_int(n), e_int(n),& 
901                                        de_dz_int(n), de_dt, diss_int(n),       &
902                                        dt_particle(n), rg(n,3), term_1_2(n) )
903             ENDIF                           
904             
905!
906!--          Update particle velocites
907             particles(n)%rvar1 = rvar1_temp(n)
908             particles(n)%rvar2 = rvar2_temp(n)
909             particles(n)%rvar3 = rvar3_temp(n)
910             u_int(n) = u_int(n) + particles(n)%rvar1
911             v_int(n) = v_int(n) + particles(n)%rvar2
912             w_int(n) = w_int(n) + particles(n)%rvar3
913!
914!--          Store the SGS TKE of the current timelevel which is needed for
915!--          for calculating the SGS particle velocities at the next timestep
916             particles(n)%e_m = e_int(n)
917          ENDDO
918       ENDDO
919       
920    ELSE
921!
922!--    If no SGS velocities are used, only the particle timestep has to
923!--    be set
924       dt_particle = dt_3d
925
926    ENDIF
927
928    dens_ratio = particle_groups(particles(1:number_of_particles)%group)%density_ratio
929
930    IF ( ANY( dens_ratio == 0.0_wp ) )  THEN
931       DO  nb = 0, 7
932          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
933
934!
935!--          Particle advection
936             IF ( dens_ratio(n) == 0.0_wp )  THEN
937!
938!--             Pure passive transport (without particle inertia)
939                particles(n)%x = xv(n) + u_int(n) * dt_particle(n)
940                particles(n)%y = yv(n) + v_int(n) * dt_particle(n)
941                particles(n)%z = zv(n) + w_int(n) * dt_particle(n)
942
943                particles(n)%speed_x = u_int(n)
944                particles(n)%speed_y = v_int(n)
945                particles(n)%speed_z = w_int(n)
946
947             ELSE
948!
949!--             Transport of particles with inertia
950                particles(n)%x = particles(n)%x + particles(n)%speed_x * &
951                                                  dt_particle(n)
952                particles(n)%y = particles(n)%y + particles(n)%speed_y * &
953                                                  dt_particle(n)
954                particles(n)%z = particles(n)%z + particles(n)%speed_z * &
955                                                  dt_particle(n)
956
957!
958!--             Update of the particle velocity
959                IF ( cloud_droplets )  THEN
960!
961!--                Terminal velocity is computed for vertical direction (Rogers et
962!--                al., 1993, J. Appl. Meteorol.)
963                   diameter = particles(n)%radius * 2000.0_wp !diameter in mm
964                   IF ( diameter <= d0_rog )  THEN
965                      w_s = k_cap_rog * diameter * ( 1.0_wp - EXP( -k_low_rog * diameter ) )
966                   ELSE
967                      w_s = a_rog - b_rog * EXP( -c_rog * diameter )
968                   ENDIF
969
970!
971!--                If selected, add random velocities following Soelch and Kaercher
972!--                (2010, Q. J. R. Meteorol. Soc.)
973                   IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
974                      lagr_timescale(n) = km(kp,jp,ip) / MAX( e(kp,jp,ip), 1.0E-20_wp )
975                      RL             = EXP( -1.0_wp * dt_3d / lagr_timescale(n) )
976                      sigma          = SQRT( e(kp,jp,ip) )
977
978                      rg1 = random_gauss( iran_part, 5.0_wp ) - 1.0_wp
979                      rg2 = random_gauss( iran_part, 5.0_wp ) - 1.0_wp
980                      rg3 = random_gauss( iran_part, 5.0_wp ) - 1.0_wp
981
982                      particles(n)%rvar1 = RL * particles(n)%rvar1 +              &
983                                           SQRT( 1.0_wp - RL**2 ) * sigma * rg1
984                      particles(n)%rvar2 = RL * particles(n)%rvar2 +              &
985                                           SQRT( 1.0_wp - RL**2 ) * sigma * rg2
986                      particles(n)%rvar3 = RL * particles(n)%rvar3 +              &
987                                           SQRT( 1.0_wp - RL**2 ) * sigma * rg3
988
989                      particles(n)%speed_x = u_int(n) + particles(n)%rvar1
990                      particles(n)%speed_y = v_int(n) + particles(n)%rvar2
991                      particles(n)%speed_z = w_int(n) + particles(n)%rvar3 - w_s
992                   ELSE
993                      particles(n)%speed_x = u_int(n)
994                      particles(n)%speed_y = v_int(n)
995                      particles(n)%speed_z = w_int(n) - w_s
996                   ENDIF
997
998                ELSE
999
1000                   IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
1001                      exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1002                      exp_term = EXP( -exp_arg * dt_particle(n) )
1003                   ELSE
1004                      exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1005                      exp_term = particle_groups(particles(n)%group)%exp_term
1006                   ENDIF
1007                   particles(n)%speed_x = particles(n)%speed_x * exp_term +         &
1008                                          u_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1009                   particles(n)%speed_y = particles(n)%speed_y * exp_term +         &
1010                                          v_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1011                   particles(n)%speed_z = particles(n)%speed_z * exp_term +         &
1012                                          ( w_int(n) - ( 1.0_wp - dens_ratio(n) ) * &
1013                                          g / exp_arg ) * ( 1.0_wp - exp_term )
1014                ENDIF
1015
1016             ENDIF
1017          ENDDO
1018       ENDDO
1019   
1020    ELSE
1021
1022       DO  nb = 0, 7
1023          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
1024!
1025!--          Transport of particles with inertia
1026             particles(n)%x = xv(n) + particles(n)%speed_x * dt_particle(n)
1027             particles(n)%y = yv(n) + particles(n)%speed_y * dt_particle(n)
1028             particles(n)%z = zv(n) + particles(n)%speed_z * dt_particle(n)
1029!
1030!--          Update of the particle velocity
1031             IF ( cloud_droplets )  THEN
1032!
1033!--             Terminal velocity is computed for vertical direction (Rogers et al.,
1034!--             1993, J. Appl. Meteorol.)
1035                diameter = particles(n)%radius * 2000.0_wp !diameter in mm
1036                IF ( diameter <= d0_rog )  THEN
1037                   w_s = k_cap_rog * diameter * ( 1.0_wp - EXP( -k_low_rog * diameter ) )
1038                ELSE
1039                   w_s = a_rog - b_rog * EXP( -c_rog * diameter )
1040                ENDIF
1041
1042!
1043!--             If selected, add random velocities following Soelch and Kaercher
1044!--             (2010, Q. J. R. Meteorol. Soc.)
1045                IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
1046                    lagr_timescale(n) = km(kp,jp,ip) / MAX( e(kp,jp,ip), 1.0E-20_wp )
1047                    RL             = EXP( -1.0_wp * dt_3d / lagr_timescale(n) )
1048                    sigma          = SQRT( e(kp,jp,ip) )
1049
1050                    rg1 = random_gauss( iran_part, 5.0_wp ) - 1.0_wp
1051                    rg2 = random_gauss( iran_part, 5.0_wp ) - 1.0_wp
1052                    rg3 = random_gauss( iran_part, 5.0_wp ) - 1.0_wp
1053
1054                    particles(n)%rvar1 = RL * particles(n)%rvar1 +                &
1055                                         SQRT( 1.0_wp - RL**2 ) * sigma * rg1
1056                    particles(n)%rvar2 = RL * particles(n)%rvar2 +                &
1057                                         SQRT( 1.0_wp - RL**2 ) * sigma * rg2
1058                    particles(n)%rvar3 = RL * particles(n)%rvar3 +                &
1059                                         SQRT( 1.0_wp - RL**2 ) * sigma * rg3
1060
1061                    particles(n)%speed_x = u_int(n) + particles(n)%rvar1
1062                    particles(n)%speed_y = v_int(n) + particles(n)%rvar2
1063                    particles(n)%speed_z = w_int(n) + particles(n)%rvar3 - w_s
1064                ELSE
1065                    particles(n)%speed_x = u_int(n)
1066                    particles(n)%speed_y = v_int(n)
1067                    particles(n)%speed_z = w_int(n) - w_s
1068                ENDIF
1069
1070             ELSE
1071
1072                IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
1073                   exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1074                   exp_term = EXP( -exp_arg * dt_particle(n) )
1075                ELSE
1076                   exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1077                   exp_term = particle_groups(particles(n)%group)%exp_term
1078                ENDIF
1079                particles(n)%speed_x = particles(n)%speed_x * exp_term +             &
1080                                       u_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1081                particles(n)%speed_y = particles(n)%speed_y * exp_term +             &
1082                                       v_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1083                particles(n)%speed_z = particles(n)%speed_z * exp_term +             &
1084                                       ( w_int(n) - ( 1.0_wp - dens_ratio(n) ) * g / &
1085                                       exp_arg ) * ( 1.0_wp - exp_term )
1086             ENDIF
1087          ENDDO
1088       ENDDO
1089
1090    ENDIF
1091
1092!
1093!-- Store the old age of the particle ( needed to prevent that a
1094!-- particle crosses several PEs during one timestep, and for the
1095!-- evaluation of the subgrid particle velocity fluctuations )
1096    particles(1:number_of_particles)%age_m = particles(1:number_of_particles)%age
1097
1098    DO  nb = 0, 7
1099       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
1100!
1101!--       Increment the particle age and the total time that the particle
1102!--       has advanced within the particle timestep procedure
1103          particles(n)%age    = particles(n)%age    + dt_particle(n)
1104          particles(n)%dt_sum = particles(n)%dt_sum + dt_particle(n)
1105
1106!
1107!--       Check whether there is still a particle that has not yet completed
1108!--       the total LES timestep
1109          IF ( ( dt_3d - particles(n)%dt_sum ) > 1E-8_wp )  THEN
1110             dt_3d_reached_l = .FALSE.
1111          ENDIF
1112
1113       ENDDO
1114    ENDDO
1115
1116    CALL cpu_log( log_point_s(44), 'lpm_advec', 'pause' )
1117
1118
1119 END SUBROUTINE lpm_advec
1120
1121! Description:
1122! ------------
1123!> Calculation of subgrid-scale particle speed using the stochastic model
1124!> of Weil et al. (2004, JAS, 61, 2877-2887).
1125!------------------------------------------------------------------------------!
1126 SUBROUTINE weil_stochastic_eq( v_sgs, fs_n, e_n, dedxi_n, dedt_n, diss_n,     &
1127                                dt_n, rg_n, fac )
1128
1129    USE kinds
1130
1131    USE particle_attributes,                                                   &
1132        ONLY:  c_0, sgs_wf_part
1133
1134    IMPLICIT NONE
1135
1136    REAL(wp) ::  a1      !< dummy argument
1137    REAL(wp) ::  dedt_n  !< time derivative of TKE at particle position
1138    REAL(wp) ::  dedxi_n !< horizontal derivative of TKE at particle position
1139    REAL(wp) ::  diss_n  !< dissipation at particle position
1140    REAL(wp) ::  dt_n    !< particle timestep
1141    REAL(wp) ::  e_n     !< TKE at particle position
1142    REAL(wp) ::  fac     !< flag to identify adjacent topography
1143    REAL(wp) ::  fs_n    !< weighting factor to prevent that subgrid-scale particle speed becomes too large
1144    REAL(wp) ::  sgs_w   !< constant (1/3)
1145    REAL(wp) ::  rg_n    !< random number
1146    REAL(wp) ::  term1   !< memory term
1147    REAL(wp) ::  term2   !< drift correction term
1148    REAL(wp) ::  term3   !< random term
1149    REAL(wp) ::  v_sgs   !< subgrid-scale velocity component
1150
1151!-- At first, limit TKE to a small non-zero number, in order to prevent
1152!-- the occurrence of extremely large SGS-velocities in case TKE is zero,
1153!-- (could occur at the simulation begin).
1154    e_n = MAX( e_n, 1E-20_wp )
1155!
1156!-- Please note, terms 1 and 2 (drift and memory term, respectively) are
1157!-- multiplied by a flag to switch of both terms near topography.
1158!-- This is necessary, as both terms may cause a subgrid-scale velocity build up
1159!-- if particles are trapped in regions with very small TKE, e.g. in narrow street
1160!-- canyons resolved by only a few grid points. Hence, term 1 and term 2 are
1161!-- disabled if one of the adjacent grid points belongs to topography.
1162!-- Moreover, in this case, the  previous subgrid-scale component is also set
1163!-- to zero.
1164
1165    a1 = fs_n * c_0 * diss_n
1166!
1167!-- Memory term
1168    term1 = - a1 * v_sgs * dt_n / ( 4.0_wp * sgs_wf_part * e_n + 1E-20_wp )    &
1169                 * fac
1170!
1171!-- Drift correction term
1172    term2 = ( ( dedt_n * v_sgs / e_n ) + dedxi_n ) * 0.5_wp * dt_n              &
1173                 * fac
1174!
1175!-- Random term
1176    term3 = SQRT( MAX( a1, 1E-20 ) ) * ( rg_n - 1.0_wp ) * SQRT( dt_n )
1177!
1178!-- In cese one of the adjacent grid-boxes belongs to topograhy, the previous
1179!-- subgrid-scale velocity component is set to zero, in order to prevent a
1180!-- velocity build-up.
1181!-- This case, set also previous subgrid-scale component to zero.
1182    v_sgs = v_sgs * fac + term1 + term2 + term3
1183
1184 END SUBROUTINE weil_stochastic_eq
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.